地下河口对海岸带地下水排放可溶性无机氮通量的调节作用研究

Submarine groundwater discharge (SGD) is the mixture between fresh groundwater and recycled marine water. It is deemed to be responsible for the transfer of over-amount terraneous dissolved inorganic nitrogen (DIN) into coastal oceans. Large magnitudes of DIN fluxes derived from SGD may trigger a series of problems, potentially causing substantial economy losses in the fishery, aquaculture and marine transport. The subterranean estuary is the mixing zone between fresh groundwater and recycled seawater in coastal aquifers. Due to the presence of a wide spectrum of biogeochemical reactions related with N circulation, DIN species, concentrations and magnitudes of fluxes are changed in subterranean estuaries. By this line of reasoning, marine scientists believe that subterranean estuaries play an important role in the modulation of SGD-borne DIN fluxes. In this 3-year project, we aim to investigate the variation in magnitude of DIN fluxes within a typical subterranean estuary and related circulation pathways via field surveys and laboratory simulation experiments. We also aim to explore the relationship between environmental factors and DIN transformation within the subterranean estuaries using statistical analyses and simulation experiments in order to reach a better understanding of the modulation mechanism. This research will be an important reference to coastal managers and stakeholders for the regulation of DIN enrichment in coastal waters and sub-surface loading.

海岸带地下水排放是陆地地层中的地下淡水和循环海水混合后向近海输送的过程，其中大量陆源性可溶性无机氮的输入，给近海带来一系列生态负效应，严重影响了捕捞业、养殖业、旅游业的增收增效及航运安全。地下河口是地下淡水流入近海前与循环海水交汇的区域。在这里，由于生物地球化学反应的作用，可溶性无机氮从赋存形态、浓度到通量都发生了一定改变。地下河口因此被海洋学家视为可溶性无机氮的天然调节器。本项目拟用三年时间，从研究可溶性无机氮在地下河口的输入-输出通量变化规律入手，结合野外原位采样分析和实验室模拟，建立可溶性无机氮通量变化和对应生物地球化学反应路径模型，定量表达二者的关联性；运用统计学模型以及单因子定量模拟实验，探究环境因子对可溶性无机氮生物地球化学反应路径的影响，进而揭示地下河口对地下水排放可溶性无机氮通量的调节作用和机理，为破解近海可溶性无机氮污染难题提供理论依据，为地下河流排放治理研究给予智力支持

本项目以山东省桑沟湾地下河口为研究样地，在高、中、低潮间带开展了季节性采样。从无机氮输入-输出通量变化规律入手，结合微生物群落的组学分析（16S rDNA以及宏基因组），计算了无机氮通量变化并解析无机氮生物地球化学反应路径。分析了地下河口沉积物有机碳浓度和赋存形态的时空分布规律。通过流动反应装置，模拟了可溶性有机碳对地下河口硝酸盐反应路径以及输出通量的影响。综合所有取得的结果，本项目的主要结论包括以下四个方面：.1..桑沟湾地下河口是典型的砂质沉积物区域。春季藻类爆发造成了沉积物有机碳的累积，出现了季节最高值。然而夏季的高温和微生物的活跃，快速的消耗了沉积物中的有机碳，出现了季节最低值。.2..桑沟湾地下河口不仅汇聚海源性的有机碳，同时也是陆源性无机氮（主要成分为硝酸盐）的汇集之处。其硝酸盐在地下河口的浓度在不同季节有所差异。这种差异与桑沟湾周边人类活动，特别是农业活动，的季节性规律有关。.3..桑沟湾地下河口主导无机氮浓度和赋存形态变化的生物地球化学反应包括：硝化反应、反硝化反应和生物摄取。沉积物有机碳浓度与硝化反应速率息息相关。硝酸盐浓度则是决定地下河口沉积物中反硝化反应速率的重要因素。.4..在模拟实验中，葡萄糖作为高反应活性的可溶性有机碳，添加进入地下河口沉积物孔隙水中。葡萄糖的添加促进了沉积物的好氧呼吸速率，但对反硝化速率没有显著影响；在溶解氧饱和度降低至30%以下，葡萄糖的添加才可以加速沉积物反硝化速率，降低硝酸盐的入海通量。